博物馆照明中照度与相关色温对视觉感知的影响

党 睿，杨 頔

(天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

中国传统绘画存量巨大，并且画面内容丰富、色彩多样，具有极高的文化价值和艺术价值。博物馆光环境是决定观赏效果的核心，而博物馆出于文物保护需求照度值较低[1]，并且根据Kruithof曲线[2]使用低色温光源进行照明。低照度、低色温的特殊光环境导致目前中国传统绘画展厅存在沉闷、压抑、乏味、细节辨认不清等问题，光环境舒适度较差[3]。

1 背景

在光源相关色温(CCT)可调的情况下，与性别、文化差异、绘画内容等相比，光源是影响视觉感知的主要因素[4]。因此，对于视觉感知来说，对光源的研究是最主要的。而光源的照度对于视觉感知是决定性的影响因素。Loe等[5]在等尺寸模拟的画廊中进行了视觉感受光照实验，发现需要大约200 lx的照度才能满足视觉要求。Huang[6]使用4种CCT约3 000 K，Duv(在CIE颜色空间中与黑体轨迹的距离)约-0.005的光源，在两个照度水平(20、500 lx)照射一幅油画，得出结论：照度在评估照明质量时起重要作用，人眼对颜色饱和度的感知受到照度水平的影响。与此同时，CCT对照明质量也有着无可替代的重要地位。在不同的光环境下满足人们舒适需求的CCT不一样，如在办公环境中人们比较偏好高色温的光源[7]，而低色温光源则更适用于放松的环境中[8]，所以CCT的适宜值要根据不同的光环境而定。综上所述，光源照度和CCT是博物馆照明中的两个决定性因素。但随着LED(Light Emitting Diode)的发展，目前适宜博物馆特殊光环境的照度和CCT尚未有定论。

2 实验方法

2.1 实验工况

实验在天津大学全暗光学实验室中进行，采用11通道光谱可调谐的灯箱THOUSLITE LEDCube(操作软件为LED Navigator V6.3.7)来产生实验中所用的28种工况。灯箱尺寸为38 cm×50 cm×55 cm，采用灰色吸光布粘贴在灯箱内壁，避免眩光对照射效果的影响，在标准A光源下使用PR670光谱辐射度计测得吸光布的CIE L*a*b*色坐标[9]为(39.7, 12.7, 1.1)。

根据CIE 157：2004[1]和ANSI/IES RP-30-17[10]中关于博物馆环境照明的规定，选取了50 lx、100 lx、150 lx、200 lx四个照度值以及2 700 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 500 K七个CCT作为实验变量，共计28种工况。上述实验工况均满足∣Duv∣≤0.005 4[11]且显色指数Ra、Rf、Rg和色域形状满足标准要求且最大程度保持一致。28种实验工况参数和光谱功率分布如表1、图1所示。

表1 28个工况的照明信息

图1 28个工况的相对光谱功率分布Fig.1 Relative spectral power distributions of 28 lighting conditions

2.2 绘画与被试

中国传统绘画具有极高的收藏价值和艺术价值。然而，关于博物馆内中国传统绘画颜色偏好的研究不多。油画的研究成果不适用于在脆弱的纸或丝绸上作画的中国传统绘画。因此实验选取了具有代表性的一幅绘画作为实验用绘画样本，该画原作是《枇杷山鸟图》，为南宋林椿创作的绢本设色画，现藏于北京故宫博物院。本研究采用的是打印样本，画面尺寸为27 cm×27 cm，如图2所示。

图2 绘画样本Fig.2 Painting samples

25名被试参加了实验，男女比例为18∶7。被试年龄从19岁～31岁，平均年龄为23.8岁，标准差为2.9岁。所有被试视力或矫正视力正常，没有色盲、色弱等缺陷。

2.3 评价方法

评价方法应根据评价任务和要求来确定，针对不同的测试采用与之适应的方法可以使评价结果更为准确可靠。实验中采用了主观问卷打分的方法，被试需要用七级评价(-3～3分)对每个工况的清晰度和温暖度进行评分。在本研究中，“清晰度”代表绘画细节的清晰程度；“温暖度”代表绘画外观的暖黄色程度。28种工况以随机顺序分为四组，以组为单元进行打分，防止被试产生疲劳，并且每组之间休息2 min。每组进行打分之前，将整组工况轮流播放两次，让被试熟悉。首先对清晰度进行打分，再熟悉一遍后对温暖度打分。整个过程大约需要40 min，一天之内完成。

3 数据可靠性分析

主观评价实验中往往会出现误判或异常值，为确保数据的可靠性应该首先对评价结果进行检验。Kendall提出的一致性系数被广泛应用于检验实验数据[13]，计算公式见式(1)。

(1)

由于评分者人数K=25，被评对象数N=7，超出Kendal一致性系数显著性临界值表的范围，因此将W值转化为χ2值，再进行χ2检验，计算公式为X2=K(N-1)W。实验数据自由度d=N-1=6，查卡方检验临界值表[14]得到，当显著性为0.01时，如果实验数据χ2值大于16.81，说明W值均达到极显著水平，由表2可知被试对于工况的评价具有较强一致性。

表2 主观评价得到数据的W值及χ2值

4 结果与讨论

通过数据分析得到绘画的清晰度和温暖度在各个CCT下随照度的变化情况，分别见图3、图4。

图3 绘画的清晰度平均值Fig.3 The mean scores of visibility of painting

图4 绘画的温暖度平均值Fig.4 The mean scores of warmth of painting

随着照度的增加，清晰度呈上升趋势。如表3所示，当显著性为0.000时，绘画的照度与清晰度的相关系数分别为0.835，证明照度与清晰度呈正相关。而对于温暖度，即使照度发生变化，相同CCT的温暖度几乎不变，如图4所示。

随着CCT变高，清晰度轻微升高，而温暖度呈现降低趋势。当显著性为0.000时，绘画的CCT与温暖度的相关系数为-0.979，证明相关色温与温暖度呈强负相关。根据表3，CCT与清晰度之间不具有统计学意义的正、负相关性，但通过图3可以看出CCT在2 700 K、3 000 K时清晰度最低，在4 500 K、5 000 K、5 500 K取得较大值。因此认为CCT对清晰度有着轻微的影响，为了得到较好的清晰度应避免采用太低的CCT值，例如2 700 K。

表3 照度、CCT分别与温暖度和清晰度的相关系数

5 结论

本研究通过心理物理实验，得到了博物馆中人们观察中国传统绘画时视觉感知与照度和相关色温的关系。首先，照度与清晰度呈强正相关，而照度的改变不会影响温暖度的变化。其次，相关色温与温暖度呈强负相关，而对清晰度影响比较轻微。在后续的研究中，将增加实验绘画样本的类型，进行视觉感知实验。